Все это и многие другие факты подталкивали вдумчивого ученого на размышления. Выкристаллизовывалась серьезная научная программа: определить поголовье дельфиньих стай в Черном море, установить, сколько они поедают рыбы, а затем двигаться вниз по пищевой цепи – определить, чем питаются рыбы, поедаемые дельфинами, сколько зоопланктона эти рыбы поедают, какова необходимая Концентрация фитопланктона – основной пищи зоопланктона. И наконец, подойти к основанию пищевой цепи и определить, сколько необходимо питательных минеральных веществ, чтобы фитопланктон, пища для зоопланктона, рос, образовывал органические соединения и размножался в необходимом количестве.

И сразу же возникал вопрос об источнике этих питательных веществ и механизме их выноса в верхние слои. Все расчеты приводили ученого к мысли о существовании механизма водообмена между нижними слоями воды, насыщенными питательными веществами, и верхними, где имелся кислород и существовала жизнь.

Как видим, рассмотрение вопросов биологической продуктивности черноморских вод требовало тщательного изучения характера водообмена между слоями: существует ли он в Черном море или нет, и если существует, то какова его интенсивность.

Профессор В. А. Водяницкий впоследствии рассказал, что в своих размышлениях он опирался на новую замечательную работу Николая Михайловича Книповича (1862–1939, почетный член АН СССР, известный русский и советский гидробиолог и гидролог) «Гидрологические исследования в Черном море». В ней были обобщены все опубликованные ранее материалы по Черному морю, а также результаты двух экспедиций – научно-промысловой под руководством самого Н. М. Книповича и гидрографической экспедиции Ю. М. Шокальского (1856–1940, известный русский и советский океанограф).

Еще до начала своей экспедиции Книпович тщательно проработал гидрологические материалы «первой черноморской глубомерной экспедиции» 1890–1892 гг. и установил, что во многих случаях глубинные поверхности равных температур и соленостей (изоповерхности) располагаются в Черном море не горизонтально, а в форме двух куполов – восточного и западного.

Из этого он сделал вывод, что в Черном море преобладают два кольцевых течения, движущихся против часовой стрелки (циклонально). Вследствие движений струй течений под воздействием вращения Земли их наружные области, обращенные к берегам, должны опускаться, а внутренние подниматься, что и вызывает куполообразное строение изоповерхностей в глубинах.

Это важнейшее открытие, сделанное чисто камеральным методом, получило среди океанологов название «велосипед Книповича» из-за сходства формы двух рядом расположенных кольцевых течений с колесами велосипеда и во многом определило направление дальнейших исследований на Черном море.

Оно подсказывало, что глубинные воды Черного моря не являются безнадежно застойными, а в какой-то мере подвижны и потому неизбежно подвержены медленным процессам перемешивания.

Книпович обратил большое внимание на существование довольно значительного промежуточного слоя, в котором содержание сероводорода постепенно уменьшается, а содержание кислорода увеличивается. Этот промежуточный слой является зоной смешения и взаимодействия сероводородной и кислородной водных масс, имеющей чрезвычайно большое значение для биологической продуктивности поверхностных слоев, пронизываемых солнечными лучами, в которых развивается фитопланктон.

Профессор В. А. Водяницкий все больше утверждался в мысли, что в глубинах Черного моря (как и в океанах) имеется высокое содержание питательных для фитопланктона веществ, образующихся в результате разложения падающих из поверхностных слоев отмерших организмов и экскрементов. А затем глубинные воды смешиваются с поверхностными и обогащают их питательными веществами.

Исследования, проведенные соратниками Владимира Алексеевича по Севастопольской биологической станции АН СССР, где он был директором, подтверждали эти предположения. Зоолог М. А. Галаджиев установил, что над большими глубинами моря наличие зоопланктона не меньше, чем в мелководном Каркинитском заливе. Особо порадовали В. А. Водяницкого работы микробиолога Ф. И. Коппа, который определил содержание в в поверхностных слоях моря микроорганизмов. Их оказалось в миллилитре воды до 2–3 млн. с биомассой 0,5 г, что вполне достаточно для питания и нормального развития зоопланктона. И что особенно важно, Ф. И. Копп обнаружил в верхнем слое воды мертвые нитевидные бактерии, происхождение которых явно связано с нижним бескислородным слоем. Значит, водообмен существует, раз их нашли в верхнем слое.

Выводы В. М. Водяницкого строги и бесспорны: дельфины съедают в год до 30Q млн. кг рыбы – это в полтора раза больше, чем ее вылавливали все рыбаки Черного моря в то время. Оттолкнувшись от этих цифр и от всех добытых фактов, Владимир Алексеевич высказывает соображения о биологическом балансе Черного моря уже исходя из новых соображений о масштабах водообмена слоев.

Эти и многие другие данные вошли в его статью «К вопросу о биологической продуктивности Черного моря», которая по независящим от него обстоятельствам и из-за цротиводействия недругов в те сложные годы появилась в печати только в мае 1941 г.

После окончания Великой Отечественной войны В. А. Водяницкий вернулся в Севастополь и вновь взялся за' решение проблемы водообмена в глубинах Черного моря. Предоставим слово ему самому: «Вновь берусь за черноморские проблемы, затронутые в моей работе 1935 г., опубликованной в 1941 г…Прежде всего вопрос о вертикальном перемешивании вод Черного моря, постановка которого могла показаться ересью…

Кстати, появляется и непосредственный повод для этого. В американском географическом журнале опубликована совместная статья двух гидрологов – американца Ф. Эллиота и турка О. Илгаза, в которой заново пересматривается вопрос о водообмене через Босфор, и в связи с этим подвергаются сомнению результаты босфорских исследований Макарова (1882) и Мерца-Меллера (1912). По мнению Илгаза и Эллиота, мраморноморские воды почти не попадают по дну Босфора в Черное море, так как путь им преграждает порог, расположенный в Черном море против устья пролива. Отсюда они сделали очень ответственные выводы и в отношении общей гидрологической структуры Черного моря, трактуя ее как устойчивую систему двух несмешивающихся водных масс – глубинной и поверхностной».

В. А. Водяницкий глубоко проанализировал баланс прихода средиземноморской воды через Босфор в Черное море, на котором основывались расчеты о 2500-летием периоде обновления глубинных слоев моря.

Галина Васильевна Воройская в своей книге о профессоре В. А. Водяницком ясно и доходчиво изложила основы расчетов водообмена, на которых основывались ученые ранее и которые разработал Владимир Алексеевич.

Первая схема была предельно проста: через Босфор из Средиземного моря в Черное за год поступает 200 км³ воды. Соленость ее – 36промилле (1 промилле соответствует содержанию 1 г солей в одном литре). Как Волее тяжелая и соленая, она опускается на дно и вытесняет столько же воды соленостью 21промилле из сероводородного слоя в верхний слой моря, который имеет соленость всего 18промилле. Если разделить количество воды в море (более 0,5 млн. км3) на количество вытесняемой (200 м³), то получится цифра 2500. При глубине моря в 2243 м выходит, что скорость перемешивания равна примерно 1 м в год.

Безусловно, эта схема водообмена не учитывала многих физических факторов, и это ясно видел В. А. Водяницкий. Ведь бассейн моря представляет собой глубокую впадину с зеркалом поверхности 420 тыс. км². Учитывая климатический пояс, в котором расположено море, нельзя игнорировать фактор испарения морской воды и переноса в виде облаков, которые изливаются дождем здесь же или орошают земли на побережье и в глубине материка.

Выпавшие в виде дождевых осадков и не впитанные землей воды, а также талые воды при таянии снега и льда стекают в реки, которые несут их опять в море.

Часть морской воды уходит через Босфор в Средиземное море. Навстречу этому потоку по дну пролива идет более соленая и потому более тяжелая вода. Через Босфор уходит до 400 км³воды соленостью 18промилле, а поступает 200 км³с соленостью 33 – 34промилле. Ученый убедился, что солевой баланс сходится: море получает столько же соли, сколько отдает.